Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Desarrollo de una aplicación para la escalada y oferta de servicios web

El autor de este proyecto es miembro reciente de la asociación SoloBoulder, dedicada a la modalidad de escalada boulder, noticias y actualidad, contenido multimedia, promoción de un equipo de escaladores y defensa de valores medioambientales en la montaña. El principal canal de distribución de contenidos es una página web existente previa a este proyecto. La asociación ha detectado una escasez y mala calidad de recursos en internet en cuanto a guías de zonas donde poder practicar el boulder. Tal circunstancia impulsa la iniciativa de este proyecto fin de carrera. El objetivo general es el desarrollo de una nueva aplicación que proporcione a los usuarios a nivel mundial una guía interactiva de boulder y otros puntos de interés, una red social que permita la creación cooperativa y orgánica de contenido, y servicios web para el consumo de la información desde otras plataformas u organizaciones. El nuevo software desarrollado es independiente de la página web de SoloBoulder previa. No obstante, ambas partes se integran bajo el mismo domino web y aspecto. La nueva aplicación ofrece a escaladores y turistas un servicio informativo e interactivo de calidad, con el que se espera aumentar el número de visitas en todo el sitio web y poder ampliar la difusión de valores medioambientales, diversificar las zonas de boulder y regular las masificadas, favorecer el deporte y brindar al escalador una oportunidad de autopromoción personal. Una gran motivación para el autor también es el proceso de investigación y formación en tecnologías, patrones arquitecturales de diseño y metodologías de trabajo adaptadas a las tendencias actuales en la ingeniería de software, con especial curiosidad hacia el mundo web. A este respecto podemos destacar: metodología de trabajo en proyectos, análisis de proyectos, arquitecturas de software, diseño de software, bases de datos, programación y buenas prácticas, seguridad, interfaz gráfica web, diseño gráfico, Web Performance Optimization, Search Engine Optimization, etc. En resumen, este proyecto constituye un aprendizaje y puesta en práctica de diversos conocimientos adquiridos durante la ejecución del mismo, así como afianzamiento de materias estudiadas en la carrera. Además, el producto desarrollado ofrece un servicio de calidad a los usuarios y favorece el deporte y la autopromoción del escalador. ABSTRACT. The author of this Project is recent member of the association SoloBoulder, dedicated to a rock climbing discipline called bouldering, news, multimedia content, promotion of a team of climbers and defense of environmental values in the mountain. The main content distribution channel is a web page existing previous to this project. The association has detected scarcity and bad quality of resources on the internet about guides of bouldering areas. This circumstance motivates the initiative of this project. The general objective is the development of a new application which provides a worldwide, interactive bouldering guide, including other points of interest, a social network which allows the cooperative and organic creation of content, and web services for consumption of information from other platforms or organizations. The new software developed is independent of the previous SoloBoulder web page. However, both parts are integrated under the same domain and appearance. The new application offers to climbers and tourists a quality informative and interactive service, with which we hope to increase the number of visits in the whole web site and be able to expand the dissemination of environmental values, diversify boulder areas and regulate the overcrowded ones, encourage sport and offer to the climber an opportunity of self-promotion. A strong motivation for the author is also the process of investigation and education in technologies, architectural design patterns and working methodologies adapted to the actual trends in software engineering, with special curiosity about the web world. In this regard we could highlight: project working methodologies, project analysis, software architectures, software design, data bases, programming and good practices, security, graphic web interface, graphic design, Web Performance Optimization, Search Engine Optimization, etc. To sum up, this project constitutes learning and practice of diverse knowledge acquired during its execution, as well as consolidation of subjects studied in the degree. In addition, the product developed offers a quality service to the users and favors the sport and the selfpromotion of the climber.

Efecto de las cubiertas ajardinadas sobre el microclima urbano de verano

El cambio climático y sus efectos requieren con urgencia el desarrollo de estrategias capaces no solo de mitigar pero también permitir la adaptación de los sistemas afectados por este fenómeno a los cambios que están provocando a nivel mundial. Olas de calor más largas y frecuentes, inundaciones, y graves sequías aumentan la vulnerabilidad de la población, especialmente en asentamientos urbanos. Este fenómeno y sus soluciones potenciales han sido ampliamente estudiados en las últimas décadas desde diferentes perspectivas y escalas que analizan desde el fenómeno regional de isla de calor al aumento de la intensidad energética necesaria en los edificios para mantener las condiciones de confort en los escenarios de calentamiento que se predicen. Su comprensión requiere el entendimiento de este fenómeno y un profundo análisis de las estrategias que pueden corregirlo y adaptarse a él. En la búsqueda de soluciones a este problema, las estrategias que incorporan sistemas naturales tales como las cubiertas ajardinadas, las fachadas vegetadas y bosques urbanos, se presentan como opciones de diseño capaces de proporcionan múltiples servicios al ecosistema urbano y de regular y hacer frente a los efectos del cambio climático. Entre los servicios que aportan estos sistemas naturales se incluyen la gestión de agua de tormentas, el control del efecto isla de calor, la mejora de la calidad del aire y del agua, el aumento de la diversidad, y como consecuencia de todo lo anterior, la reducción de la huella ecológica de las ciudades. En la última década, se han desarrollado múltiples estudios para evaluar y cuantificar los servicios al ecosistema proporcionados por las infraestructuras verdes, y específicamente las cubiertas ajardinadas, sin embargo, determinados servicios como la capacidad de la regulación del microclima urbano no ha sido apenas estudiados. La mayor parte de la literatura en este campo la componen estudios relacionados con la capacidad de las cubiertas ajardinadas de reducir el efecto de la isla de calor, en una escala local, o acerca de la reducción de la demanda energética de refrigeración debida a la instalación de cubiertas ajardinadas en la escala de edificio. La escala intermedia entre estos dos ámbitos, la calle, desde su ámbito habitable cercano al suelo hasta el límite superior del cañón urbano que configura, no han sido objeto detallado de estudio por lo que es esta escala el objeto de esta tesis doctoral. Esta investigación tiene como objeto contribuir en este campo y aportar un mayor entendimiento a través de la cuantificación del impacto de las cubiertas ajardinadas sobre la temperatura y humedad en el cañón urbano en la escala de calle y con un especial foco en el nivel peatonal. El primer paso de esta investigación ha sido la definición del objeto de estudio a través del análisis y revisión de trabajos tanto teóricos como empíricos que investigan los efectos de cubiertas ajardinadas en el entorno construido, entendidas como una herramienta para la adaptación y mitigación del impacto del cambio climático en las ciudades. La literatura analizada, revela el gran potencial de los sistemas vegetales como herramientas para el diseño pasivo puesto que no solo son capaces de mejorar las condiciones climáticas y microclimaticas en las ciudades reduciendo su demanda energética, sino también la necesidad de mayor análisis en la escala de calle donde confluyen el clima, las superficies urbanas y materiales y vegetación. Este análisis requiere una metodología donde se integren la respuesta térmica de edificios, las variaciones en los patrones de viento y radiación, y la interacción con la vegetación, por lo que un análisis cuantitativo puede ayudar a definir las estrategias más efectivas para lograr espacios urbanos más habitables. En este contexto, el objetivo principal de esta investigación ha sido la evaluación cuantitativa del impacto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano a escala de barrio en condiciones de verano en los climas mediterráneos continentales. Para el logro de este objetivo, se ha seguido un proceso que persigue identificar los modelos y herramientas de cálculo capaces de capturar el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima, identificar los parámetros que potencian o limitan este efecto, y cuantificar las variaciones que microclima creado en el cañón urbano produce en el consumo de energía de los edificios que rodean éste espacio. La hipótesis principal detrás de esta investigación y donde los objetivos anteriores se basan es el siguiente: "una cubierta ajardinada instalada en edificios de mediana altura favorece el establecimiento de microclimas a nivel peatonal y reduce las temperaturas en el entorno urbano donde se encuentra”. Con el fin de verificar la hipótesis anterior y alcanzar los objetivos propuestos se ha seguido la siguiente metodología: • definición del alcance y limitaciones del análisis • Selección de las herramientas y modelos de análisis • análisis teórico de los parámetros que afectan el efecto de las cubiertas ajardinadas • análisis experimental; • modelización energética • conclusiones y futuras líneas de trabajo Dada la complejidad de los fenómenos que intervienen en la generación de unas determinadas condiciones microclimáticas, se ha limitado el objeto de este estudio a las variables de temperatura y humedad, y sólo se han tenido en cuenta los componentes bióticos y abióticos del sistema, que incluyen la morfología, características superficiales del entorno estudiado, así como los elementos vegetales. Los componentes antrópicos no se han incluido en este análisis. La búsqueda de herramientas adecuadas para cumplir con los objetivos de este análisis ha concluido en la selección de ENVI-met v4 como el software más adecuado para esta investigación por su capacidad para representar los complejos fenómenos que caracterizan el microclima en cañones urbanos, en una escala temporal diaria y con unas escala local de vecindario. Esta herramienta supera el desafío que plantean los requisitos informáticos de un cálculo completo basado en elementos finitos realizados a través de herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) que requieren una capacidad de cálculo computacional y tiempo privativos y en una escala dimensional y temporal limitada a esta capacidad computacional lo que no responde a los objetivos de esta investigación. ENVI-met 4 se basa es un modelo tridimensional del micro clima diseñado para simular las interacciones superficie-planta-aire en entornos urbanos. Basado en las ecuaciones fundamentales del equilibrio que representan, la conservación de masa, energía y momento. ENVI-met es un software predictivo, y como primer paso ha requerido la definición de las condiciones iniciales de contorno que se utilizan como punto de partida por el software para generar su propio perfil de temperatura y humedad diaria basada en la localización de la construcción, geometría, vegetación y las superficies de características físicas del entorno. La geometría de base utilizada para este primer análisis se ha basado en una estructura típica en cuanto al trazado urbano situada en Madrid que se ha simulado con una cubierta tradicional y una cubierta ajardinada en sus edificios. La estructura urbana seleccionada para este análisis comparativo es una red ortogonal con las calles principales orientadas este-oeste. El edificio típico que compone el vecindario se ha definido como “business as usual” (BAU) y se ha definido con una cubierta de baldosa de hormigón estándar, con un albedo 0.3, paredes con albedo 0.2 (construcción de muro de ladrillo típico) y cerramientos adiabáticos para evitar las posibles interferencias causadas por el intercambio térmico con el ambiente interior del edificio en los resultados del análisis. Para el caso de la cubierta ajardinada, se mantiene la misma geometría y características del edificio con excepción de la cobertura superficial de la azotea. Las baldosas de hormigón se han modificado con una cubierta ajardinada extensiva cubierta con plantas xerófilas, típicas en el clima de Madrid y caracterizado por su índice de densidad foliar, el “leaf area density” (LAD), que es la superficie total de superficie de hojas por unidad de volumen (m2/m3). El análisis se centra en los cañones urbanos entendidos como el espacio de calle comprendido entre los límites geométricos de la calle, verticales y horizontales, y el nivel superior de la cota urbana nivel de cubiertas. Los escenarios analizados se basan en la variación de la los principales parámetros que según la literatura analizada condicionan las variaciones microclimáticas en el ámbito urbano afectado por la vegetación, la velocidad del viento y el LAD de la azotea. Los resultados han sido registrados bajo condiciones de exposición solar diferentes. Las simulaciones fueron realizadas por los patrones de viento típico de verano, que para Madrid se caracterizan por vientos de componente suroeste que van desde 3 a 0 m/s. las simulaciones fueron realizadas para unas condiciones climáticas de referencia de 3, 2, 1 y 0 m/s a nivel superior del cañón urbano, como condición de contorno para el análisis. Los resultados calculados a 1,4 metros por encima del nivel del suelo, en el espacio habitado, mostraron que el efecto de la cubierta ajardinada era menor en condiciones de contorno con velocidades de viento más altas aunque en ningún caso el efecto de la cubierta verde sobre la temperatura del aire superó reducciones de temperatura de aire superiores a 1 º C. La humedad relativa no presentó variaciones significativas al comparar los diferentes escenarios. Las simulaciones realizadas para vientos con velocidad baja, entre 0 y 1 m/s mostraron que por debajo de 0.5 m/s la turbulencia del modelo aumentó drásticamente y se convirtió en el modelo inestable e incapaz de producir resultados fiables. Esto es debido al modelo de turbulencia en el software que no es válido para velocidades de viento bajas, lo que limita la capacidad de ENVI-met 4 para realizar simulaciones en estas condiciones de viento y es una de las principales conclusiones de este análisis en cuanto a la herramienta de simulación. También se comprobó el efecto de las densidades de la densidad de hoja (LAD) de los componentes vegetales en el modelo en la capa de aire inmediatamente superior a la cubierta, a 0,5 m sobre este nivel. Se compararon tres alternativas de densidad de hoja con la cubierta de baldosa de hormigón: el techo verde con LAD 0.3 (hierba típica o sedum), LAD 1.5 (plantas mixtas típicas) y LAD 2.5 (masa del árbol). Los resultados mostraron diferencias de temperatura muy relevante entre las diferentes alternativas de LAD analizadas. Los resultados muestran variaciones de temperatura que oscilan entre 3 y 5 º C al comparar el estándar de la azotea concreta con albedo 0, 3 con el techo con vegetación y vegetación densa, mostrando la importancia del LAD en la cuantificación de los efectos de las cubiertas vegetales en microclima circundante, lo que coincide con los datos reportados en la literatura existente y con los estudios empíricos analizados. Los resultados de los análisis teóricos han llegado a las siguientes conclusiones iniciales relacionadas con la herramienta de simulación y los resultados del modelo: En relación con la herramienta ENVI-met, se han observado limitaciones para el análisis. En primer lugar, la estructura rígida de la geometría, las bases de datos y el tamaño de la cuadrícula, limitan la escala y resolución de los análisis no permitiendo el desarrollo de grandes zonas urbanas. Por otro lado la estructura de ENVI-met permite el desarrollo de este tipo de simulación tan complejo dentro de tiempos razonables de cálculo y requerimientos computacionales convencionales. Otra limitación es el modelo de turbulencia del software, que no modela correctamente velocidades de viento bajas (entre 0 y 1 m/s), por debajo de 0,5 m/s el modelo da errores y no es estable, los resultados a estas velocidades no son fiables porque las turbulencias generadas por el modelo hacen imposible la extracción de patrones claros de viento y temperatura que permitan la comparación entre los escenarios de cubierta de hormigón y ajardinada. Además de las limitaciones anteriores, las bases de datos y parámetros de entrada en la versión pública del software están limitados y la complejidad de generar nuevos sistemas adaptándolos al edificio o modelo urbano que se quiera reproducir no es factible salvo en la versión profesional del software. Aparte de las limitaciones anteriores, los patrones de viento y perfiles de temperatura generados por ENVI-met concuerdan con análisis previos en los que se identificaban patrones de variación de viento y temperaturas en cañones urbanos con patrones de viento, relación de aspecto y dimensiones similares a los analizados en esta investigación. Por lo tanto, el software ha demostrado una buena capacidad para reproducir los patrones de viento en los cañones de la calle y capturar el efecto de enfriamiento producido por la cubierta verde en el cañón. En relación con el modelo, el resultado revela la influencia del viento, la radiación y el LAD en la temperatura del aire en cañones urbanos con relación de aspecto comprendida entre 0,5 y 1. Siendo el efecto de la cubierta verde más notable en cañones urbanos sombreados con relación de aspecto 1 y velocidades de viento en el nivel de “canopy” (por encima de la cubierta) de 1 m/s. En ningún caso las reducciones en la temperatura del aire excedieron 1 º C, y las variaciones en la humedad relativa no excedieron 1% entre los escenarios estudiados. Una vez que se han identificado los parámetros relevantes, que fueron principalmente la velocidad del viento y el LAD, se realizó un análisis experimental para comprobar los resultados obtenidos por el modelo. Para éste propósito se identificó una cubierta ajardinada de grandes dimensiones capaz de representar la escala urbana que es el objeto del estudio. El edificio usado para este fin fue el parking de la terminal 4 del aeropuerto internacional de Madrid. Aunque esto no es un área urbana estándar, la escala y la configuración del espacio alrededor del edificio fueron considerados aceptables para el análisis por su similitud con el contexto urbano objeto de estudio. El edificio tiene 800 x 200 m, y una altura 15 m. Está rodeado de vías de acceso pavimentadas con aceras conformando un cañón urbano limitado por el edificio del parking, la calle y el edificio de la terminal T4. El aparcamiento está cerrado con fachadas que configuran un espacio urbano de tipo cañón, con una relación de aspecto menor que 0,5. Esta geometría presenta patrones de viento y velocidad dentro del cañón que difieren ligeramente de los generados en el estudio teórico y se acercan más a los valores a nivel de canopo sobre la cubierta del edificio, pero que no han afectado a la tendencia general de los resultados obtenidos. El edificio cuenta con la cubierta ajardinada más grande en Europa, 12 Ha cubiertas por con una mezcla de hierbas y sedum y con un valor estimado de LAD de 1,5. Los edificios están rodeados por áreas plantadas en las aceras y árboles de sombra en las fachadas del edificio principal. El efecto de la cubierta ajardinada se evaluó mediante el control de temperaturas y humedad relativa en el cañón en un día típico de verano. La selección del día se hizo teniendo en cuenta las predicciones meteorológicas para que fuesen lo más semejantes a las condiciones óptimas para capturar el efecto de la cubierta vegetal sobre el microclima urbano identificadas en el modelo teórico. El 09 de julio de 2014 fue seleccionado para la campaña de medición porque las predicciones mostraban 1 m/s velocidad del viento y cielos despejados, condiciones muy similares a las condiciones climáticas bajo las que el efecto de la cubierta ajardinada era más notorio en el modelo teórico. Las mediciones se registraron cada hora entre las 9:00 y las 19:00 en 09 de julio de 2014. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron en 5 niveles diferentes, a 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 y 16 m por encima del suelo y a 0,5 m de distancia de la fachada del edificio. Las mediciones fueron tomadas en tres escenarios diferentes, con exposición soleada, exposición la sombra y exposición influenciada por los árboles cercanos y suelo húmedo. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron con un equipo TESTO 410-2 con una resolución de 0,1 ºC para temperatura, 0,1 m/s en la velocidad del viento y el 0,1% de humedad relativa. Se registraron las temperaturas de la superficie de los edificios circundantes para evaluar su efecto sobre los registros usando una cámara infrarroja FLIR E4, con resolución de temperatura 0,15ºC. Distancia mínima a la superficie de 0,5 m y rango de las mediciones de Tª de - 20 º C y 250 º C. Los perfiles de temperatura extraídos de la medición in situ mostraron la influencia de la exposición solar en las variaciones de temperatura a lo largo del día, así como la influencia del calor irradiado por las superficies que habían sido expuestas a la radiación solar así como la influencia de las áreas de jardín alrededor del edificio. Después de que las medidas fueran tomadas, se llevaron a cabo las siguientes simulaciones para evaluar el impacto de la cubierta ajardinada en el microclima: a. estándar de la azotea: edificio T4 asumiendo un techo de tejas de hormigón con albedo 0.3. b. b. cubierta vegetal : T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con valor bajo del LAD (0.5)-techo de sedum simple. c. c. cubierta vegetal: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con alta joven valor 1.5-mezcla de plantas d. d. cubierta ajardinada más vegetación nivel calle: el edificio T4 con LAD 1.5, incluyendo los árboles existentes a nivel de calle. Este escenario representa las condiciones actuales del edificio medido. El viento de referencia a nivel de cubierta se fijó en 1 m/s, coincidente con el registro de velocidad de viento en ese nivel durante la campaña de medición. Esta velocidad del viento se mantuvo constante durante toda la campaña. Bajo las condiciones anteriores, los resultados de los modelos muestran un efecto moderado de azoteas verdes en el microclima circundante que van desde 1 º a 2 º C, pero una contribución mayor cuando se combina con vegetación a nivel peatonal. En este caso las reducciones de temperatura alcanzan hasta 4 ºC. La humedad relativa sin embargo, no presenta apenas variación entre los escenarios con y sin cubierta ajardinada. Las temperaturas medidas in situ se compararon con resultados del modelo, mostrando una gran similitud en los perfiles definidos en ambos casos. Esto demuestra la buena capacidad de ENVI-met para reproducir el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima y por tanto para el fin de esta investigación. Las diferencias más grandes se registraron en las áreas cercanas a las zonas superiores de las fachadas que estaban más expuestas a la radiación del sol y también el nivel del suelo, por la influencia de los pavimentos. Estas diferencias se pudieron causar por las características de los cerramientos en el modelo que estaban limitados por los datos disponibles en la base de datos de software, y que se diferencian con los del edificio real. Una observación importante derivada de este estudio es la contribución del suelo húmedo en el efecto de la cubierta ajardinada en la temperatura del aire. En el escenario de la cubierta ajardinada con los arboles existentes a pie de calle, el efecto del suelo húmedo contribuye a aumentar las reducciones de temperatura hasta 4.5ºC, potenciando el efecto combinado de la cubierta ajardinada y la vegetación a pie de calle. Se realizó un análisis final después de extraer el perfil horario de temperaturas en el cañón urbano influenciado por el efecto de las cubiertas ajardinadas y los árboles. Con esos perfiles modificados de temperatura y humedad se desarrolló un modelo energético en el edificio asumiendo un edificio cerrado y climatizado, con uso de oficinas, una temperatura de consigna de acuerdo al RITE de 26 ºC, y con los sistemas por defecto que establece el software para el cálculo de la demanda energética y que responden a ASHRAE 90.1. El software seleccionado para la simulación fue Design Builder, por su capacidad para generar simulaciones horarias y por ser una de las herramientas de simulación energética más reconocidas en el mercado. Los perfiles modificados de temperatura y humedad se insertaron en el año climático tipo y se condujo la simulación horaria para el día definido, el 9 de Julio. Para la simulación se dejaron por defecto los valores de conductancia térmica de los cerramientos y la eficiencia de los equipos de acuerdo a los valores que fija el estándar ASHRAE para la zona climática de Madrid, que es la 4. El resultado mostraba reducciones en el consumo de un día pico de hasta un 14% de reducción en las horas punta. La principal conclusión de éste estudio es la confirmación del potencial de las cubiertas ajardinadas como una estrategia para reducir la temperatura del aire y consumo de energía en los edificios, aunque este efecto puede ser limitado por la influencia de los vientos, la radiación y la especie seleccionada para el ajardinamiento, en especial de su LAD. Así mismo, en combinación con los bosques urbanos su efecto se potencia e incluso más si hay pavimentos húmedos o suelos porosos incluidos en la morfología del cañón urbano, convirtiéndose en una estrategia potencial para adaptar los ecosistemas urbanos el efecto aumento de temperatura derivado del cambio climático. En cuanto a la herramienta, ENVI-met se considera una buena opción para éste tipo de análisis dada su capacidad para reproducir de un modo muy cercano a la realidad el efecto de las cubiertas. Aparte de ser una herramienta validada en estudios anteriores, en el caso experimental se ha comprobado por medio de la comparación de las mediciones con los resultados del modelo. A su vez, los resultados y patrones de vientos generados en los cañones urbanos coinciden con otros estudios similares, concluyendo por tanto que es un software adecuado para el objeto de esta tesis doctoral. Como líneas de investigación futura, sería necesario entender el efecto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano en diferentes zonas climáticas, así como un mayor estudio de otras variables que no se han observado en este análisis, como la temperatura media radiante y los indicadores de confort. Así mismo, la evaluación de otros parámetros que afectan el microclima urbano tales como variables geométricas y propiedades superficiales debería ser analizada en profundidad para tener un resultado que cubra todas las variables que afectan el microclima en el cañón urbano. ABSTRACT Climate Change is posing an urgency in the development of strategies able not only to mitigate but also adapt to the effects that this global problem is evidencing around the world. Heat waves, flooding and severe draughts increase the vulnerability of population, and this is especially critical in urban settlements. This has been extensively studied over the past decades, addressed from different perspectives and ranging from the regional heat island analysis to the building scale. Its understanding requires physical and dimensional analysis of this broad phenomenon and a deep analysis of the factors and the strategies which can offset it. In the search of solutions to this problem, green infrastructure elements such as green roofs, walls and urban forests arise as strategies able provide multiple regulating ecosystem services to the urban environment able to cope with climate change effects. This includes storm water management, heat island effect control, and improvement of air and water quality. Over the last decade, multiple studies have been developed to evaluate and quantify the ecosystem services provided by green roofs, however, specific regulating services addressing urban microclimate and their impact on the urban dwellers have not been widely quantified. This research tries to contribute to fill this gap and analyzes the effects of green roofs and urban forests on urban microclimate at pedestrian level, quantifying its potential for regulating ambient temperature in hot season in Mediterranean –continental climates. The study is divided into a sequence of analysis where the critical factors affecting the performance of the green roof system on the microclimate are identified and the effects of the green roof is tested in a real case study. The first step has been the definition of the object of study, through the analysis and review of theoretical and empirical papers that investigate the effects of covers landscaped in the built environment, in the context of its use as a tool for adaptation and mitigation of the impact of climate change on cities and urban development. This literature review, reveals the great potential of the plant systems as a tool for passive design capable of improving the climatic and microclimatic conditions in the cities, as well as its positive impact on the energy performance of buildings, but also the need for further analysis at the street scale where climate, urban surfaces and materials, and vegetation converge. This analysis requires a methodology where the thermal buildings response, the variations in the patterns of wind and the interaction of the vegetation are integrated, so a quantitative analysis can help to define the most effective strategies to achieve liveable urban spaces and collaterally, , the improvement of the surrounding buildings energy performance. In this specific scale research is needed and should be customized to every climate, urban condition and nature based strategy. In this context, the main objective for this research was the quantitative assessment of the Green roof impact on the urban microclimate at a neighbourhood scale in summer conditions in Mediterranean- continental climates. For the achievement of this main objective, the following secondary objectives have been set: • Identify the numerical models and calculation tools able to capture the effect of the roof garden on the microclimate. • Identify the enhancing or limiting parameter affecting this effect. • Quantification of the impact of the microclimate created on the energy consumption of buildings surrounding the street canyon analysed. The main hypothesis behind this research and where the above objectives are funded on is as follows: "An extensive roof installed in medium height buildings favours the establishment of microclimates at the pedestrian level and reduces the temperatures in the urban environment where they are located." For the purpose of verifying the above hypothesis and achieving the proposed objectives the following methodology has been followed: - Definition of hypothesis and objectives - Definition of the scope and limitations - Theoretical analysis of parameters affecting gren roof performance - Experimental analysis; - Energy modelling analyisis - Conclusions and future lines of work The search for suitable tools and models for meeting the objectives of this analysis has led to ENVI-met v4 as the most suitable software for this research. ENVI met is a three-dimensional micro-climate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environments. Based in the fundamental equations representing, mass, energy and momentum conservation, the software has the capacity of representing the complex phenomena characterizing the microclimate in urban canyons, overcoming the challenge posed by the computing requirements of a full calculus based on finite elements done via traditional computational fluid dynamics tools. Once the analysis tool has been defined, a first set of analysis has been developed to identify the main parameters affecting the green roof influence on the microclimate. In this analysis, two different scenarios are compared. A neighborhood with standard concrete tile roof and the same configuration substituting the concrete tile by an extensive green roof. Once the scenarios have been modeled, different iterations have been run to identify the influence of different wind patterns, solar exposure and roof vegetation type on the microclimate, since those are the most relevant variables affecting urban microclimates. These analysis have been run to check the conditions under which the effects of green roofs get significance. Since ENVI-met V4 is a predictive software, the first step has been the definition of the initial weather conditions which are then used as starting point by the software, which generates its own daily temperature and humidity profile based on the location of the building, geometry, vegetation and the surfaces physical characteristics. The base geometry used for this first analysis has been based on a typical urban layout structure located in Madrid, an orthogonal net with the main streets oriented East-West to ease the analysis of solar radiation in the different points of the model. This layout represents a typical urban neighborhood, with street canyons keeping an aspect ratio between 0.5 and 1 and high sky view factor to ensure correct sun access to the streets and buildings and work with typical wind flow patterns. Finally, the roof vegetation has been defined in terms of foliage density known as Leaf Area Density (LAD) and defined as the total one-sided leaf area per unit of layer volume. This index is the most relevant vegetation characteristic for the purpose of calculating the effect of vegetation on wind and solar radiation as well as the energy consumed during its metabolic processes. The building as usual (BAU) configuring the urban layout has been defined with standard concrete tile roofs, considering 0.3 albedo. Walls have been set with albedo 0.2 (typical brick wall construction) and adiabatic to avoid interference caused by thermal interchanges with the building indoor environment. For the proposed case, the same geometry and building characteristics have been kept. The only change is the roof surface coverage. The gravel on the roof has been changed with an extensive green roof covered with drought tolerant plants, typical in Madrid climate, and characterized by their LAD. The different scenarios analysed are based in the variation of the wind speed and the LAD of the roof. The results have been recorded under different sun exposure conditions. Simulations were run for the typical summer wind patterns, that for Madrid are characterized by South-west winds ranging from 3 to 0 m/s. Simulations were run for 3, 2, 1 and 0 m/s at urban canopy level. Results taken at 1.4 m above the ground showed that the green roof effect was lower with higher wind speeds and in any case the effect of the green roof on the air temperatures exceeded air temperature reductions higher than 1ºC. Relative humidity presented no variations when comparing the different scenarios. For the analysis at 0m/s, ENVI-met generated error and no results were obtained. Different simulations showed that under 0.5 m/s turbulence increased dramatically and the model became unstable and unable to produce reliable results. This is due to the turbulence model embedded in the software which is not valid for low wind speeds (below 1 m/s). The effect of the different foliage densities was also tested in the model. Three different alternatives were compared against the concrete roof: green roof with LAD 0.3 ( typical grass or sedum), 1.5 (typical mixed plants) and 2.5 (tree mass). The results showed very relevant temperature differences between the different LAD alternatives analyzed. Results show temperature variations ranging between 3 and 5 ºC when comparing the standard concrete roof with albedo 0, 3 with the vegetated roof and vegetated mass, showing the relevance of the LAD on the effects of green roofs on microclimate. This matches the data reported in existing literature and empirical studies and confirms the relevance of the LAD in the roof effect on the surrounding microclimate. The results of the theoretical analysis have reached the following initial conclusions related to both, the simulation tool and the model results: • In relation to the tool ENVI-met, some limitations for the analysis have been observed. In first place, the rigid structure of the geometry, the data bases and the grid size, limit the scale and resolution of the analysis not allowing the development of large urban areas. On the other hand the ENVI-met structure enables the development of this type of complex simulation within reasonable times and computational requirements for the purpose of this analysis. Additionally, the model is unable to run simulations at wind speeds lower than 0.5 m/s, and even at this speed, the results are not reliable because the turbulences generated by the model that made impossible to extract clear temperature differences between the concrete and green roof scenarios. Besides the above limitations, the wind patterns and temperature profiles generated by ENVImet are in agreement with previous analysis identifying wind patterns in urban canyons with similar characteristics and aspect ratio. Therefore the software has shown a good capacity for reproducing the wind effects in the street canyons and seems to capture the cooling effect produced by the green roof. • In relation to the model, the results reveals the influence of wind, radiation and LAD on air temperature in urban canyons with aspect ratio comprised between 0.5 and 1. Being the effect of the green roof more noticeable in shaded urban canyons with aspect ratio 1 and wind speeds of 1 m/s. In no case the reductions in air temperature exceeded 1ºC. Once the relevant parameters have been identified, mainly wind speed and LAD, an experimental analysis was conducted to test the results obtained by the model. For this purpose a large green roof was identified, able to represent the urban scale which is the object of the studio. The building identified for this purpose was the terminal 4, parking building of the international Madrid Airport. Even though this is not a standard urban area, the scale and configuration of the space around the building were deemed as acceptable for the analysis. The building is an 800x200 m, 15 m height parking building, surrounded by access paved paths and the terminal building. The parking is enclosed with facades that configure an urban canyon-like space, although the aspect ratio is lower than 0.5 and the wind patterns might differ from the theoretical model run. The building features the largest green roof in Europe, a 12 Ha extensive green roof populated with a mix of herbs and sedum with a LAD of 1.5. The buildings are surrounded by planted areas at the sidewalk and trees shading the main building facades. Green roof performance was evaluated by monitoring temperatures and relative humidity in the canyon in a typical summer day. The day selection was done taking into account meteorological predictions so the weather conditions on the measurement day were as close as possible as the optimal conditions identified in terms of green roof effects on the urban canyon. July 9th 2014 was selected for the measurement campaign because the predictions showed 1 m/s wind speed and sunny sky, which were very similar to the weather conditions where the effect of the green roof was most noticeable in the theory model. Measurements were registered hourly from 9:00am to 19:00 on July 9th 2014. Temperature, relative humidity and wind speed were recorded at 5 different levels, at 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 and 16 m above ground and at 0.5 m distance from the building façade. Measurements were taken in three different scenarios, sunny exposure, shaded exposure, and shaded exposure influenced by nearby trees and moist soil. Temperature, relative humidity and wind speed were registered using a TESTO 410-2 anemometer, with 0.1ºC resolution for temperature, 0.1 m/s resolution for wind speed and 0.1 % for relative humidity. Surface temperatures were registered using an infrared camera FLIR E4, with temperature resolution 0.15ºC. Minimal distance to surface of 0.5 m and Tª measurements range from -20ºC and 250ºC. The temperature profiles measured on the site showed the influence of solar exposure on the temperature variations along the day, as well as the influence of the heat irradiated by the building surfaces which had been exposed to the sun radiation and those influenced by the moist soft areas around the building. After the measurements were taken, the following simulations were conducted to evaluate the impact of the green roof on the microclimate: a. Standard roof: T4 building assuming a concrete tile roof with albedo 0.3. b. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with low LAD value (0.5)-Simple Sedum roof. c. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with high LAD value 1.5- Lucerne and grasses d. Green roof plus street level vegetation: T4 Building, LAD 1.5 (Lucerne), including the existing trees at street level. This scenario represents the current conditions of the building. The urban canopy wind was set as 1 m/s, the wind speed register at that level during the measurement campaign. This wind speed remained constant over the whole campaign. Under the above conditions, the results of the models show a moderate effect of green roofs on the surrounding microclimate ranging from 1ºC to 2ºC, but a larger contribution when combining it with vegetation at pedestrian level, where 4ºC temperature reductions are reached. Relative humidity remained constant. Measured temperatures and relative humidity were compared to model results, showing a close match in the profiles defined in both cases and the good capacity of ENVI met to capture the impact of the green roof in this analysis. The largest differences were registered in the areas close to the top areas of the facades which were more exposed to sun radiation and also near to the soil level. These differences might be caused by differences between the materials properties included in the model (which were limited by the data available in the software database) and those in the real building. An important observation derived from this study is the contribution of moist soil to the green roof effect on air temperatures. In the green roof scenario with surrounding trees, the effect of the moist soil contributes to raise the temperature reductions at 4.5ºC. A final analysis was conducted after extracting the hourly temperature profile in the street canyon influenced by the effect of green roofs and trees. An energy model was run on the building assuming it was a conventional enclosed building. Energy demand reductions were registered in the building reaching up to 14% reductions at the peak hour. The main conclusion of this study is the potential of the green roofs as a strategy for reducing air temperatures and energy consumption in the buildings, although this effect can be limited by the influence of high speed winds. This effect can be enhanced its combination with urban forests and even more if soft moist pavements are included in the urban canyon morphology, becoming a potential strategy for adapting urban ecosystems to the increasing temperature effect derived from climate change.

Elementos peatonales de las ciudades medias españolas : tipos, orígenes, relaciones y articulaciones

A través de esta tesis se busca aportar un análisis de los elementos peatonales que cubren las necesidades y las infraestructuras de apoyo al peatón, siendo un campo poco desarrollado en nuestro país a diferencia de otros como Dinamarca, Reino Unido, Alemania y Holanda, donde las actuaciones peatonales ejecutadas son tradicionales y muy exitosas. Se trata por tanto de un tema poco estudiado pero que adquiere singular importancia en estos años de búsqueda de nuevos modelos urbanos que eviten el derroche de recursos, y avancen hacia formas de movilidad más adecuadas a un mundo limitado y vulnerable. La investigación tiene un carácter eminentemente descriptivo cuyo principal valor es documentar y analizar sistemáticamente una realidad poco conocida, aportándose datos para entender el origen y desarrollo de las actuaciones peatonales. El propósito es ayudar a cimentar este campo en nuestro país, definiendo con precisión el estado de la cuestión geográficamente y dejando para un futuro una cartografía temática completa. El objeto general es estudiar y comprender los elementos peatonales de un número limitado de ciudades medias españolas, marcándose como objetivos específicos los siguientes: - Identificar y describir los principales elementos que conforman la red peatonal de las ciudades. ‐ Estudiar las tipologías espaciales dominantes, sus características y orígenes, pudiendo distinguir de un lado, las desarrolladas en la ciudad consolidada, como las actuaciones en los cascos antiguos; y por otro, las ejecutadas en la ciudad nueva a través de fórmulas arquitectónicas generalmente residenciales con espacios peatonales adjuntos. ‐ Analizar los referidos elementos para comprobar si han conformado redes de uso peatonal, si se han constituido articulando la ciudad como en el caso de los ejes lineales en las ciudades con río o mar, o si han influenciado el carácter del entorno en el que se han realizado, centrando el interés en los cascos históricos peatonalizados. ‐ Comprobar si hay actuaciones complementarias a los procesos de urbanización y mejora urbanística, así como la aprobación de ayudas y subvenciones para afrontar las mismas. ‐ Finalmente, describir y evaluar los procesos y procedimientos mediante los que se produce la peatonalización de determinadas áreas urbanas, los orígenes, los instrumentos y fechas de su puesta en marcha, aportando una cronología peatonal. La metodología comienza con la acotación de 22 ciudades españolas, capitales de provincia con una población entre 100.000 y 500.000 habitantes según los datos del INE del año 2009. La distribución es equilibrada con la selección de ciudades de costa, de interior, con río/ría, con carácter patrimonial, ciudades en islas, etc. El análisis de los elementos peatonales de estas urbes se realiza gracias a la gran resolución de las bases cartográficas públicas y privadas que hay en la actualidad en internet, especialmente con el uso de las herramientas de Google Earth y Google Maps en su versión “street view”, softwares que permiten un paseo virtual de cada ciudad detallándose con gran precisión las actuaciones peatonales. Las ciudades elegidas son: ‐ 11 ciudades costeras: Alicante, Almería, Bilbao, Cádiz, Castellón de la Plana, Huelva, Las Palmas de Gran Canaria, Palma de Mallorca, Santander, San Sebastián y Tarragona. ‐ 11 ciudades de interior: Albacete, Burgos, Córdoba, León, Lérida, Logroño, Oviedo, Murcia, Pamplona, Valladolid y Vitoria. Finalmente, por tener los porcentajes mas elevados de las áreas peatonales de sus casco histórico, se eligen 3 casos de ciudades representativas para un desarrollo peatonal en profundidad, seleccionándose Burgos, San Sebastián y Pamplona. Otros aspectos metodológicos interesantes a destacar, es la extensa documentación adquirida a través de las fuentes de Internet, sobre todo a la hora de desarrollar el último capítulo “Procesos de peatonalización de las ciudades españolas” centrado en las 3 ciudades elegidas. Se consulta las hemerotecas de periódicos locales, los boletines oficiales, las actas de los plenos de los Ayuntamientos y los documentos de planificación (Planes Generales, Planes Especiales, Planes y Proyectos Municipales, Planes de Movilidad), adquiriéndose una precisa información en cuanto a la cronología de las fechas y extensión del trabajo. Se complementa la metodología con las entrevistas a actores claves en el proceso peatonal, como el personal técnico de los Ayuntamiento y los técnicos redactores de los proyectos; y con la colaboración directa de los técnicos de los consistorios de las 3 ciudades seleccionadas, aportando todo tipo de información demandada. En la tesis, se introduce los elementos peatonales mediante el estudio de los espacios peatonales y los procesos de peatonalización existentes, a través del análisis de la literatura consultada aportándose información valiosa en cuanto a la definición de los modelos peatonales, exponiéndose una breve historia de las peatonalizaciones. Destacan las publicaciones de los expertos europeos en la materia como los autores Carmen Hass-Klau, Rolf Monheim, Rob Krier y Collin Buchanan. En España, las actuaciones peatonales fueron tardías en el tiempo en comparación con el resto de Europa, con casi 40 años de retraso. Las referencias bibliográficas españolas en esta materia son escasas siendo las mas significativas las realizadas por Alfonso Sanz y por el profesor Julio Pozueta destacando una de sus últimas publicaciones “La ciudad paseable” describiéndose los elementos peatonales existentes en las ciudades, sirviendo como modelo y ejemplo para esta investigación. En base a lo anterior, se definen los elementos peatonales como aquellos espacios públicos libres de edificación que, por sus características y diseño, garantizan un confortable uso estancial, de tránsito peatonal y están expresamente reservados para ello. En la tesis se detectan y se especifican los siguientes elementos peatonales: las calles y plazas peatonales, las aceras y bulevares de una anchura superior a 8 metros, los paseos peatonales, los elementos de paso (tradicionales y mecánicos), espacios peatonales ligados a nuevas áreas residenciales, los soportales y pasajes peatonales con una anchura mínima de 4 metros, recintos feriales, espacios libres y zonas verdes y parques. Para cada una de las 22 ciudades seleccionadas se realiza un exhaustivo inventario de los anteriores elementos a través de fichas, aportando un gran número de proyectos individuales ejecutados en cada urbe. Esta información se recoge gráficamente en 2 fotoplanos, conformándose como herramientas fundamentales para esta investigación. El Fotoplano 1 se hace sobre la base de la ciudad del Google Earth diferenciándose las áreas peatonales y las zonas verdes. En el Fotoplano 2, y con el soporte anterior, se distinguen las tipologías persistentes y dominantes como son los grandes ejes peatonales, las redes peatonales locales y los elementos peatonales singulares. Finalmente, a partir de los 2 fotoplanos, se realiza la denominada “Huella peatonal” que destaca por su atractivo y pregnancia, algo de lo que el campo de lo peatonal es muy útil. A través de la huella se obtiene una rápida información al tener el plano dos colores, color naranja para lo peatonal (formado por las áreas peatonales y zonas verdes) y color negro para el resto el resto no peatonal. Toda esta documentación gráfica y descriptiva de los elementos peatonales de cada ciudad, queda ampliamente recogida en el Anexo de la tesis. La “Huella peatonal” se considera como el plano básico en la investigación obteniendo una percepción rápida, clara y visual del espacio peatonal de cada ciudad. Se arroja información morfológica con respecto a la distribución espacial, articulación, equilibrio, modulación, cohesión, concentración peatonal, etc. de cada una de las ciudades seleccionadas. A través de la huella se resuelve muchos de las cuestiones enmarcadas como objetivos de la tesis, comprobándose de forma general, que los elementos peatonales dentro de la trama urbana están desarticulados ya que no hay una estructura que module la ciudad como un conjunto cohesionado. Se localizan pequeñas redes conectadas entre sí, que de forma heterogénea, están dispersas por la ciudad. Se verifica que los elementos peatonales con mayor concentración y presencia en las ciudades analizadas son los ejes peatonales, los cascos históricos y los elementos peatonales en las nuevas áreas residenciales. En la investigación, además de estos 3 elementos mencionados, se analiza con mayor profundidad otros tipos que destacan por su persistencia y repetición en la “Huella peatonal” de cada una de las 22 ciudades, como son las plazas peatonales, los soportales y los elementos singulares peatonales: espacios tradicionales (recintos feriales, pasajes, puentes históricos), nuevos elementos peatonales (pasarelas peatonales, elementos mecánicos de paso), áreas peatonales entorno a edificios culturales y otros casos como los consistentes en la recuperación y transformación de edificaciones y construcciones urbanas de diferente uso y tipología, en nuevas áreas peatonales. Se aporta luz sobre su definición, localización, cronología, proporción, presencia y génesis, facilitando resultados de cada uno de ellos. De forma paralela, se obtiene información de índole cuantitativa a través de las mediciones de la huella, obteniéndose datos y porcentajes de extensión de la ciudad, de las zonas peatonales y de las zonas verdes, de los cascos históricos y de sus superficies peatonales, de los metros lineales de dichos cascos históricos y de sus calles peatonales. Se proporcionan ratios e índices que se consideran fundamentales para una mejor comprensión peatonal de cada urbe. Se establece una clasificación de las ciudades en cada uno de los ámbitos descritos, destacando las ciudades de Pamplona, San Sebastián y Burgos por arrojar las cifras peatonales más positivas encabezando la mayoría de las tablas clasificatorias. La peor ciudad valorada es Alicante, seguida según criterio, de Almería, Palma de Mallorca y Las Palmas de GC. En el capítulo final de la investigación, se eligen las ciudades de Burgos, San Sebastián y Pamplona como casos de estudio representativos. El objetivo es obtener un conocimiento más preciso en cuanto a su origen, cronología y procesos de las peatonalizaciones. Cada ciudad se compone de un cuadro cronológicos por etapas, desarrollándose de forma exhaustiva cada una de ellas, enunciadas normalmente, como instrumentos de planeamiento o proyectos de urbanización, acompañadas de los planos de las actuaciones peatonales. Al final de cada etapa se aportan datos de las cifras de las peatonalizaciones que se van realizando, con un cuadro numérico de localizaciones, superficie peatonal, superficie reurbanizada, longitud peatonal y el grado de peatonalización del casco histórico, además de los datos acumulados por etapa. De las conclusiones cruzadas de estas 3 ciudades, destaca la comprobación de la tendencia de ir peatonalizando los centros antiguos llegando incluso al 100% de calles peatonales en el caso de San Sebastián. No obstante, es difícil confirmar si el objetivo es una peatonalización global de los cascos, ya que son muchas las variables que afectan e influyen en el proceso peatonal de cada ciudad. Se coteja adicionalmente cómo se extiende la cultura peatonal desde el interior al exterior, mas allá de los cascos históricos hacia los ensanches próximos. En cuanto al origen de las peatonalizaciones, se concluye que no hay una concepción inicial y teórica marcada, a partir de la cual se va desarrollando la trama peatonal de cada ciudad. Se puede afirmar que los procesos peatonales ejecutados son variados y de diversa índole, sin poder precisar un hecho como causa principal. Según el momento y las circunstancias, las peatonalizaciones responden a distintas iniciativas promovidas por los comerciantes, por las administraciones locales o por los técnicos de planeamiento, con sus expertas aportaciones en los planes. Estos tres agentes actúan como impulsores de proyectos individuales peatonales que se van solapando en el tiempo. Como punto final de la tesis, se propone una serie de nuevas líneas de investigación que pueden servir como estudio adicional y complementario, respondiendo a aspectos tan relevantes como cuestiones de índole económica, social y de movilidad, fuertemente ligadas a las peatonalizaciones, tal y como se demuestra en la literatura consultada. ABSTRACT This thesis aims to analyse the pedestrian elements dealing with the needs and infrastructures that support pedestrians, as this is a field that is little developed in our country, in comparison to other regions such as Denmark, the United Kingdom, Germany and the Netherlands, where the pedestrian actions implemented are traditional and highly successful. Therefore, even though little research has been done about this topic, this field is increasingly important throughout these years of search for urban models intended to prevent the waste of resources and to develop new mobility ways, more adapted to a limited, vulnerable world. This research is essentially descriptive and it mainly aims to document and systematically analysed a scarcely known reality by providing data in order to understand the origin and development of pedestrian actions. This thesis intends to lay the foundations of this field in Spain, accurately defining the state of the art from a geographical point of view and preparing a full thematic map that may be used in the future. The overall aim is to study and understand the pedestrian elements of a limited number of Spanish medium-size cities, establishing the following specific goals: - To identify and describe the main elements comprising cities' pedestrian networks. - To study of special predominant typologies, their features and origins, with the possibility to, on the one hand, make a difference between the typologies developed in well-established cities, such as the actions in historic quarters, and, on the other hand, those implemented in new cities through generally residential architectural formulae with adjoining pedestrian areas. - To analyse the said elements in order to check whether they have resulted in pedestrian-use networks, whether they have been established by organising the city, such as the linear axes in coastal and riverside cities, or whether they have had an impact on the character of the areas where these elements have been implemented, focusing on pedestrian historic quarters. - Check whether there are actions supplementary to the urban development and urban improvement processes, as well as the approval of financial support and subventions to deal with these actions. - Finally, to describe and assess the processes and procedures by which the pedestrianisation of certain urban areas is carried out, the origins, the instruments and the date of their implementation, providing a pedestrian timeline. The methodology starts by defining 22 Spanish cities, province capitals with a population ranging from 100,000 to 500,000 inhabitants, according to the data recorded by the Spanish Statistics Institute (INE) in 2009. The distribution of coastal, riverside and interior cities, as well as of patrimonial cities and cities in islands, etc. is well balanced. The analysis of the pedestrian elements of these cities is made with the great resolution of the public and private map databases that can be accessed on the Internet, especially using the "street-view" version of tools such as Google Earth and Google Maps, software applications that allow to go for a virtual walk in each city, providing highly precise details about the pedestrian actions. The following cities have been chosen: ‐ 11 coastal cities: Alicante, Almería, Bilbao, Cádiz, Castellón de la Plana, Huelva, Las Palmas de Gran Canaria, Palma de Mallorca, Santander, San Sebastián and Tarragona. ‐ 11 interior cities: Albacete, Burgos, Córdoba, León, Lérida, Logroño, Oviedo, Murcia, Pamplona, Valladolid and Vitoria. Finally, as they have the highest percentages regarding the pedestrian areas found in the historic quarters, 3 cities representing a deep pedestrian development have been chosen: Burgos, San Sebastián and Pamplona. Other significant methodological aspects are the many documents found from online sources, especially when preparing the last chapter: “Processes for the pedestrianisation of Spanish cities”, which focuses on the 3 cities chosen. Local newspaper and periodical libraries, official gazettes, the minutes of plenary sessions of councils and the zoning regulation documents (General Zoning Plans, Special Zoning Plans, Municipal Plans and Projects, Mobility Plans, etc.) have been consulted, obtaining accurate information regarding the timeline and the extension of the works carried out. The methodology is supplemented by interviews with key players in the pedestrianisation process, such as the technical staff in councils and the officers drafting and designing the projects, as well as with the direct collaboration by the officers of the councils of the 3 cities chosen, who provided all the information requested. The thesis introduces the pedestrian elements by studying pedestrian areas and existing pedestrianisation processes through the analysis of the literature consulted, providing valuable information for the definition of pedestrian models and showing a brief history and background of the pedestrianisation process. Remarkable papers published by some European experts in the field, such as Carmen Hass-Klau, Rolf Monheim and Collin Buchanan, are covered in the thesis. In Spain, the pedestrianisation actions were late in time in comparison to the rest of Europe, with at least 40 years of delay. The Spanish literature references in this field are limited. The most significant papers are those published by Alfonso Sanz and by Professor Julio Pozueta, with a special mention of one of his last works "La ciudad paseable" (The Walkable City), which describes the pedestrian elements found in the cities and is used a model and an example for this research. Based on the elements above, pedestrian elements are defined as those construction-free public areas that, due to their features and design, ensure the comfortable, convenient use of the spaces, characterised by pedestrian traffic and specifically reserved for this purpose. The thesis detects and specifies the following pedestrian elements: pedestrian streets and squares, pavements (sidewalks) and boulevards with a width exceeding 8 metres, pedestrian promenades, crossing elements (traditional and mechanical), pedestrian spaces linked to new residential areas, colonnades and pedestrian passages or narrow streets with a minimum width of 4 metres, exhibition sites, free spaces and green areas and parks. For each of the 22 cities chosen, a thorough inventory of the elements mentioned above has been made by using worksheets, providing a significant number of individual projects developed in each city. This information is graphically collected and displayed on 2 photomaps, resulting in tools essential for this research. Photomap 1 is made based on the city displayed by Google Earth, making a difference between pedestrian areas and green areas. On Photomap 2, using the tool mentioned above, a difference can be made between persistent and predominant typologies, such as the big pedestrian axes, the local pedestrian networks and singular pedestrian elements. Finally, the 2 photomaps are used in order to establish the so-called "pedestrian footprint", which is highlighted by its attractiveness and appeal, concepts for which the pedestrian field is very useful. With the pedestrian footprint, quick information can be obtained, since the map shows two colours: orange for pedestrian elements (made up of pedestrian areas and green areas) and black for the other non-pedestrian elements. A significant part of these graphic, descriptive documents about each city's pedestrian elements can be found in the thesis appendix. The "Pedestrian Footprint" is regarded in the research as the basic map, obtaining a quick, clear and visual perception of each city's pedestrian space. This footprint provides morphological information regarding the space distribution, the organisation, the balance, the modulation, the cohesion, the pedestrian concentration, etc. in each of the cities chosen. The pedestrian footprint helps solve many of the questions established as the thesis goals, proving that, in general, the pedestrian elements are not organised in the urban plot, as there is no structure modulating the city as a properly linked set of elements. Small networks linked to each other and heterogeneously scattered all over the city are found. It has been verified that the pedestrian elements with the highest concentration and presence in the cities analysed are the pedestrian axes, the historic quarters and the pedestrian elements found in the new residential areas. Besides these 3 elements mentioned, the research analyses in depth other types that are remarkable due to their persistence and repetition in the "Pedestrian Footprint" of each of the 22 cities, such as the pedestrian squares, the colonnades and the singular pedestrian elements: traditional spaces (exhibition sites, passages, historic bridges), new pedestrian elements (pedestrian footbridges, mechanical crossing elements), pedestrian areas around cultural buildings and other cases such as those consisting of recovering and transforming building and urban constructions, intended for a wide range of purposes and of different types, into new pedestrian areas. This work puts light on the definition, location, timeline, proportion, presence and origin, providing results for each of these concepts. At the same time, quantitative information is obtained by measuring the footprint, getting data and percentages on the size of the city, the pedestrian areas and the green areas, the historic quarters and the pedestrian zones, the linear metres of such historic quarters and pedestrian streets. The footprint also provides ratios and rates that are considered as essential in order to better understand the pedestrian elements of each city. A classification of cities is established for each of the areas described, highlighting the cities of Pamplona, San Sebastián and Burgos, as they provide the most positive pedestrian figures and lead most of the classification tables or rankings. According to the criteria considered, the city with the worst values is Alicante, followed by Almería, Palma de Mallorca and Las Palmas de Gran Canaria. In the final chapter in the thesis, the cities of Burgos, San Sebastián and Pamplona are chosen as representative study cases. The aim is to gain more accurate knowledge regarding the pedestrianisation origin, timeline and processes. Each city comprises a chronological sequence made of stages, each of which is thoroughly developed and usually announced as zoning plans or urban development projects, accompanied by the plans of the pedestrian actions. At the end of each stage, data with the figures of the pedestrianisation projects are provided, including a numerical chart with locations, pedestrian area, redeveloped urban areas, pedestrian length and pedestrianisation degree in the historic quarter, as well as the data cumulated throughout each stage. In the crossed conclusions on the three cities, the trend of gradually pedestrianising the historic quarters (even reaching the 100% of the pedestrian streets as in San Sebastián) is verified. However, it is difficult to confirm whether the purpose is to reach an overall pedestrianisation of the historic quarters, since there are many variables that affect and influence each city's pedestrianisation process. In addition, the spread of the pedestrian culture from the internal areas to the external areas, beyond the historic quarters to the nearby expansion areas, is compared. Regarding the origin of pedestrianisations, the thesis comes to the conclusion that there is no initial or theoretical conception from which each city's pedestrian plot is developed. The pedestrian processes implemented are varied and diverse but no fact can be specified as the main cause. Based on the moment and circumstances, the pedestrianisation processes are due to different initiatives promoted by shopkeepers, by the local administrations or by the zoning officers, with their expert contributions to the plans. These three players promote and drive individual pedestrianisation projects that overlap in the course of time. Finally, new lines of research are put forwards, as they can be taken as an additional study and as a supplement to this research, dealing with aspects as significant as the economic, social and mobility factors, closely linked to the pedestrianisation processes, as proven in the literature consulted.

Maternal Obesity During Pregnancy Associates With Premature Mortality and Major Cardiovascular Events in Later Life

Acknowledgements We thank Ms Katie Wilde, Data Management Team, University of Aberdeen and Lynsey Waugh, Information and Services Division of NHS Scotland for their help with data extraction and linkage. Funding sources This work was supported by funding from the Chief Scientist Office, Scotland. We also acknowledge support from Tommy’s and the British Heart Foundation. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript. None of the authors are related to any of the funders

An Open-Label Investigation of the Pharmacokinetics and Tolerability of Oral Cysteamine in Adults with Cystic Fibrosis

This study was funded by Health Sciences Scotland (West Medical Building, University Avenue, Glasgow G12 8QQ. UK) and the Cystic Fibrosis Trust (One Aldgate, London. EC3N 1RE. UK). The funders did not contribute to study design, data collection, analysis, this report or the decision to publish.

Inter-Pregnancy Weight Change and the Risk of Recurrent Pregnancy Complications

Funding: Funded by the Scottish Government’s Rural and Environment Science and Analytical Services Division (RESAS, Theme 7: Diet and Health). The funder had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of this manuscript. Data Availability: All relevant data are owned by the Aberdeen Maternity and Neonatal Databank. Interested parties may request access to the data by following the instructions at http://www.abdn.ac.uk/iahs/research/obsgynae/amnd/access.php.

A Toolbox for Quantitative Gene Expression in Varroa destructor : RNA Degradation in Field Samples and Systematic Analysis of Reference Gene Stability

Funding: This project has received funding from the European Union’s Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement no. 613960 (SMARTBEES) (http://www.smartbees-fp7.eu/) and Veterinary Medicines Directorate, Department for Environment Food & Rural Affairs (Project # VM0517) (https://www.gov.uk/government/organisations/veterinary-medicines-directorate). CHM was supported by a Biosciences Knowledge Transfer Network Biotechnology and Biological Sciences Research Council (KTN-BBSRC CASE) Studentship (BB/L502467/1) (http://www.bbsrc.ac.uk/). The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript. Acknowledgments We gratefully acknowledge Mr Sebastian Bacz’s expert help and advice with beekeeping.

Effects of Dietary Fibre (Pectin) and/or Increased Protein (Casein or Pea) on Satiety, Body Weight, Adiposity and Caecal Fermentation in High Fat Diet-Induced Obese Rats

Funding: This work was funded by the Scottish Government Rural and Environment Science and Analytical Services Division. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.

Are pharmacological randomised controlled clinical trials relevant to real-life asthma populations? : A protocol for an UNLOCK study from the IPCRG

Funding The IPCRG provided funding for this research project as an UNLOCK Group study for which the funding was obtained through an unrestricted grant by Novartis AG, Basel, Switzerland. Novartis has no role in study design, data collection and analysis, decision to publish or preparation of the manuscript. This study will include data from the Optimum Patient Care Research Database and is undertaken in collaboration with Optimum Patient Care and the Respiratory Effectiveness Group.

A review of clinical trial designs used to detect a disease-modifying effect of drug therapy in Alzheimer's disease and Parkinson's disease

Acknowledgements This article presents independent research funded by the National Institute for Health Research (NIHR) under its Programme Grants for Applied Research Programme (Grant Reference Number RP-PG-0707-10124). The views expressed in this article are those of the authors and not necessarily those of the NHS, the NIHR or the Department of Health. The funders had no role in study design, data collection, data analysis, data interpretation, writing of the report or for the decision to submit for publication.

Communication Between HIV Patients and Their Providers : A Qualitative Preference Match Analysis

ACKNOWLEDGMENTS We thank the HIV nurses and physicians from the two HIV clinics involved in this study (Academic Medical Center, Amsterdam; Erasmus Medical Center, Rotterdam) for their input and collaboration. We also express our gratitude to the participating patients. Finally, we thank Nicolette Strik-Mulder for her help with transcribing the audio recordings. FUNDING This study was funded by ZonMw (the Netherlands), program “Doelmatigheidsonderzoek” (grant 171002208). This funding source had no role in study design, data collection, analysis, interpretation, or writing of the report.

Def1 Promotes the Degradation of Pol3 for Polymerase Exchange to Occur During DNA-Damage–Induced Mutagenesis in Saccharomyces cerevisiae

Funding: Wellcome Trust, 070247/Z/03/A. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.

Integrated fossil and molecular data reconstruct bat echolocation

Molecular and morphological data have important roles in illuminating evolutionary history. DNA data often yield well resolved phylogenies for living taxa, but are generally unattainable for fossils. A distinct advantage of morphology is that some types of morphological data may be collected for extinct and extant taxa. Fossils provide a unique window on evolutionary history and may preserve combinations of primitive and derived characters that are not found in extant taxa. Given their unique character complexes, fossils are critical in documenting sequences of character transformation over geologic time and may elucidate otherwise ambiguous patterns of evolution that are not revealed by molecular data alone. Here, we employ a methodological approach that allows for the integration of molecular and paleontological data in deciphering one of the most innovative features in the evolutionary history of mammals—laryngeal echolocation in bats. Molecular data alone, including an expanded data set that includes new sequences for the A2AB gene, suggest that microbats are paraphyletic but do not resolve whether laryngeal echolocation evolved independently in different microbat lineages or evolved in the common ancestor of bats and was subsequently lost in megabats. When scaffolds from molecular phylogenies are incorporated into parsimony analyses of morphological characters, including morphological characters for the Eocene taxa Icaronycteris, Archaeonycteris, Hassianycteris, and Palaeochiropteryx, the resulting trees suggest that laryngeal echolocation evolved in the common ancestor of fossil and extant bats and was subsequently lost in megabats. Molecular dating suggests that crown-group bats last shared a common ancestor 52 to 54 million years ago.

Differential Regulation of Sugar-Sensitive Sucrose Synthases by Hypoxia and Anoxia Indicate Complementary Transcriptional and Posttranscriptional Responses1

The goal of this research was to resolve the hypoxic and anoxic responses of maize (Zea mays) sucrose (Suc) synthases known to differ in their sugar regulation. The two maize Suc synthase genes, Sus1 and Sh1, both respond to sugar and O2, and recent work suggests commonalities between these signaling systems. Maize seedlings (NK508 hybrid, W22 inbred, and an isogenic sh1-null mutant) were exposed to anoxic, hypoxic, and aerobic conditions (0, 3, and 21% O2, respectively), when primary roots had reached approximately 5 cm. One-centimeter tips were excised for analysis during the 48-h treatments. At the mRNA level, Sus1 was rapidly up-regulated by hypoxia (approximately 5-fold in 6 h), whereas anoxia had less effect. In contrast, Sh1 mRNA abundance increased strongly under anoxia (approximately 5-fold in 24 h) and was much less affected by hypoxia. At the enzyme level, total Suc synthase activity rose rapidly under hypoxia but showed little significant change during anoxia. The contributions of SUS1 and SH1 activities to these responses were dissected over time by comparing the sh1-null mutant with the isogenic wild type (Sus+, Sh1+). Sh1-dependent activity contributed most markedly to a rapid protein-level response consistently observed in the first 3 h, and, subsequently, to a long-term change mediated at the level of mRNA accumulation at 48 h. A complementary midterm rise in SUS1 activity varied in duration with genetic background. These data highlight the involvement of distinctly different genes and probable signal mechanisms under hypoxia and anoxia, and together with earlier work, show parallel induction of “feast and famine” Suc synthase genes by hypoxia and anoxia, respectively. In addition, complementary modes of transcriptional and posttranscriptional regulation are implicated by these data, and provide a mechanism for sequential contributions from the Sus1 and Sh1 genes during progressive onset of naturally occurring low-O2 events.